Cattiva Astronomia

Zona di rotazione: il nucleo del Sole ruota quattro volte più velocemente della superficie

2024

Il Sole è la stella più vicina a noi nell'intero Universo, quindi penseresti che ne sappiamo di più. E in molti sensi lo facciamo; possiamo visualizzare la superficie in alta risoluzione e vedere dettagli che non possiamo vedere in altre stelle.

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Ma ci sono ancora molte cose che non sappiamo e molte domande rimangono senza risposta. Alcuni sembrano abbastanza semplici. Ad esempio: quanto velocemente ruota il nucleo del Sole?

Ora sappiamo : Gira quasi esattamente una volta alla settimana. La cosa strana è che è quattro volte più veloce della rotazione della superficie del Sole! Gli interni del Sole ruotano più velocemente dei suoi esterni.

Quindi c'è un po 'da abbattere qui, ma è piuttosto bello. OK, bene : È caldo. Ma la notizia è fresca.

Ingrandire

Questo diagramma in sezione mostra gli strati interni del Sole e come le onde di pressione (onde p) rimbalzano sotto la superficie e attraverso il Sole, mentre le onde di gravità (onde g) non riescono a raggiungere la superficie dall'interno profondo . Credito: ESA; (Cromosfera solare basata sull'immagine SOHO; credito: SOHO (ESA & NASA))

Il Sole non è una palla solida, ma è invece una gigantesca sfera di gas (tecnicamente è un plasma, un gas in cui gli atomi hanno perso uno o più elettroni; questo in realtà è importante, come vedremo tra un secondo). Nel complesso, il Sole è largo circa 1,4 milioni di chilometri. Al centro, la temperatura e la pressione sono così alte (15 milioni di gradi C e centinaia di miliardi volte la pressione atmosferica della Terra a livello del mare!) che gli atomi di idrogeno si scontrano l'uno con l'altro e attraverso un complicato processo si fondono in elio. Questo rilascia molta energia — a quantità - ed è per questo che splende il sole. Questa energia si fa strada fuori dall'interno solare e si irradia dalla superficie sotto forma di luce.

La regione in cui l'idrogeno viene trasmogrificato in elio è chiamata nucleo ed è circa 1/5^nsdel diametro del Sole: circa 280.000 km di larghezza (un po' meno della distanza dalla Terra alla Luna, per confronto). Sappiamo che è lì, nonostante sia sepolto sotto mezzo milione di chilometri di plasma infuriato, a causa della fisica del funzionamento del Sole: la scoperta della fusione nucleare è stata un'enorme svolta nella comprensione della dinamica solare.

Quando guardiamo il Sole dall'esterno, lo vediamo girare. Anche se la superficie non è solida e cambia continuamente, ci sono alcuni modi per misurare la velocità di rotazione: ad esempio, puoi guardare le macchie solari e usarle come punti di riferimento (beh, plasmamarks, immagino). Quando lo fai, scopri che il Sole ruota una volta ogni poche settimane circa. Inoltre, ruota ad una velocità maggiore all'equatore rispetto ai poli; 25 contro 35 giorni. Quella rotazione differenziale è di nuovo perché il Sole non è un corpo solido e si muove un po'.

Ma quanto velocemente ruota il nucleo? Quel numero è stato a lungo cercato ed è stato esasperantemente sfuggente. Tuttavia, un nuovo metodo ha finalmente rivelato la risposta... ed è perché il Sole vibra.

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Tra il nucleo e la superficie c'è una regione del Sole chiamata zona convettiva, dove il plasma caldo sale e il plasma freddo scende, simile all'acqua che bolle in una padella. Ci sono migliaia di queste cellule di plasma che si muovono su e giù all'interno del Sole e agitano il materiale intorno a loro. Questo crea un'onda di pressione, simile a un'onda sonora. Quando questi raggiungono la superficie del Sole, lo fanno vibrare e queste vibrazioni possono essere misurate . La fisica delle onde è abbastanza ben compresa che le proprietà di queste onde possono essere utilizzate per misurare le condizioni all'interno del Sole, quindi possiamo capire cosa sta andando in profondità sotto la superficie senza mai vederlo direttamente. La scienza di questo si chiama eliosismologia .

Il problema qui è che queste onde di pressione (chiamate anche onde p ) viaggiano abbastanza rapidamente attraverso le regioni dense nelle profondità del Sole, quindi non sono sensibili alla rotazione relativamente lenta del nucleo. Non possono essere utilizzati direttamente per misurare la velocità di rotazione del nucleo.

Ah, ma c'è un altro tipo di onda, chiamata onda gravitazionale (o onda g, da non confondere con le onde gravitazionali, che sono molto diverse). Questo è lo stesso tipo di onda che si ottiene quando ci si sposta nella vasca da bagno: l'acqua viene spinta verso l'alto e la gravità la riporta verso il basso. L'acqua prende velocità cadendo e traboccando un po', scendendo e creando un avvallamento tra le creste. Quelle creste vengono abbattute e così via, creando l'onda g.

Con il Sole, queste onde sono generate al centro, ma non arrivano in superficie, quindi non possono essere misurate direttamente. Argo!

Quando le onde p si muovono attraverso il Sole, la superficie oscilla, come mostrato in questo modello fisico di come la superficie si muove su e giù. Credito: NSO/GONG

Ma aspetta! C'è una soluzione qui. Si scopre che quando le onde p passano attraverso il nucleo, il materiale che si muove sotto l'influenza delle onde g interagisce con loro, cambiando il modo in cui le onde p si muovono attraverso di esso. L'effetto è incredibilmente sottile, ma con un'attenta misurazione può essere visto.

E finalmente è stato , utilizzando il venerabile Osservatorio Solare ed Eliosferico ( SOHO ), un osservatorio spaziale dedicato all'osservazione del Sole. Uno strumento a bordo SOHO, chiamato Global Oscillations at Low Frequencies (o GOLF ), è stato progettato per osservare le onde p solari. Effettuando misurazioni nell'arco di 16,5 anni sbalorditivi (SOHO lanciato nel 1995), gli astronomi sono stati in grado di vedere il sottile effetto delle onde g su di loro. Sono queste misurazioni che indicano che il nucleo solare ruota molto più velocemente della superficie.

Questo è stato sospettato per anni ed è bello vederlo confermato. E devo ammettere che appena l'ho sentito mi sono dato uno schiaffo mentale sulla fronte. Avrei dovuto sapere che il nucleo avrebbe girato più velocemente!

Come mai? Dalle teorie fisiche, pensiamo che le stelle girino rapidamente quando nascono. Ne vediamo molte conferme anche osservando le giovani stelle. Ma la superficie del Sole ruota solo una volta al mese circa. Ciò è molto probabilmente dovuto al suo campo magnetico: il potente magnetismo generato all'interno del Sole. Non è ben compreso esattamente dove viene creato il magnetismo , ma è sicuramente al di sopra del nucleo, all'interno o appena sopra la zona di convezione. Una proprietà molto nota della fisica è che le particelle cariche in movimento creano un campo magnetico, e il plasma che si muove su e giù nella regione convettiva del Sole quindi fa proprio questo.

Sopra la superficie del Sole, il campo magnetico agisce come una rete gigantesca, raccogliendo le particelle subatomiche emesse dal Sole e accelerandole, come una rete da pesca che raccoglie i pesci. Mentre lo fa, le particelle respingono leggermente il campo magnetico. Poiché il magnetismo è ancorato alla materia del Sole, questo agisce, per miliardi di anni, per rallentare la rotazione del Sole .

Ma il campo magnetico non è ancorato al nucleo. Il esterno gli strati rallentano, ma il nucleo è ancora libero di girare più velocemente. Certo, l'attrito lo rallenterà, ma anche dopo 4,5 miliardi di anni continuerà a ruotare più velocemente della superficie del Sole: una sfera di plasma di quasi 300.000 km di diametro ha una notevole quantità di moto. Non studio il Sole nello specifico, ma sapevo tutto questo e avrei dovuto essere in grado di ricostruirlo da solo. Non mi è mai venuto in mente, ma ora sembra ovvio. Ah bene.

Quindi, comunque, questo è piuttosto carino. Non abbiamo molti modi per studiare il nucleo del Sole e ora ne abbiamo uno nuovo che sembra molto promettente. La rotazione è solo una delle tante proprietà del nucleo che possiamo imparare usando questo metodo. È come una finestra che ci permette di vedere oltre i settilioni di tonnellate di plasma nel Sole e ottenere informazioni sulle profondità sottostanti.